(57)【要約】【課題】回転速度指令とは逆方向に電動機を回転させずに、安定に速度センサレスベクトル制御を実現可能とした制御装置を提供する。【解決手段】誘導電動機の電流及び電圧を用いて電動機の磁束、電流及び速度を推定演算し、その速度推定値を用いて、ベクトル制御により電力変換器を介し電動機を可変速制御する誘導電動機の制御装置において、誘導電動機Ｍの速度指令値に速度指令補正量を加算し、トルク電流指令を得るトルク電流指令演算手段１１６と、速度指令補正量の有効・無効を選択して前記補正量を出力する速度指令補正量演算手段１１５と、前記補正量が有効と選択された時に電動機Ｍの１次周波数指令の絶対値に下限値を設けて出力する１次周波数演算手段１１３と、速度指令値とすべり周波数とを加算した基準信号と１次周波数指令の下限値との比較結果に応じてリミット実行フラグを出力する判別手段１１４とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導電動機の電流及び電圧を用いて前記電動機の磁束、電流及び速度を推定演算し、その速度推定値を用いて、ベクトル制御により電力変換器を介して前記電動機を可変速制御する誘導電動機の制御装置において、
前記電動機の速度指令値に速度指令補正量を加算する手段と、
前記速度指令補正量の有効、無効を選択する手段と、
前記速度指令補正量が有効と選択された時に前記電動機の１次周波数指令の絶対値に下限値を設ける手段と、
を備えたことを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記速度指令補正量が、前記１次周波数指令の絶対値の下限値から前記速度指令値の絶対値を減じ、かつ、すべり周波数指令値の絶対値を加算した値であることを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記速度指令値とすべり周波数とを加算した信号を一定の基準値と比較する手段を備え、この手段による比較結果に従って前記速度指令補正量の有効、無効を選択することを特徴とする誘導電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導電動機を速度センサレスで安定にベクトル制御するための制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
誘導電動機の高性能かつ高精度な制御方法として、ベクトル制御が広く知られている。ベクトル制御では電動機の速度情報が必要であるため、通常は、パルスジェネレータ等の速度センサを用いて速度情報を得るようにしている。一方、速度センサを取り付けられない用途にベクトル制御を適用したいという要求も多く、電動機への印加電圧や電流から速度及び磁束を推定する手段を備えた速度センサレスベクトル制御について、従来から種々の方式が提案されている。
【０００３】
しかし、電動機に印加される電圧及び電流の周波数が０となる場合、電動機のインダクタンス分にかかる電圧が常に０となるため、電圧から磁束を推定することができなくなる。これは、推定磁束と磁束実際値との誤差が収束しないことを表している。その結果、周波数が０の場合は速度推定が不能となり、電動機が運転不能になるという原理的な問題が生じる。
【０００４】
このような点に鑑み、特許文献１には、電動機に印加される電圧の周波数が０となる場合でも、速度推定を可能として電動機の運転を行うための技術が開示されている。
図７は、特許文献１に記載された従来技術のブロック図であり、同図において、１０１は磁化電流演算手段、１０２，１０３はそれぞれトルク電流調節手段及び磁化電流調節手段、１０４，１１０は座標変換手段、１０５は電圧検出手段、１０６は電流検出手段、１０７，１０８は３相−２相変換手段、１０９は電流・磁束推定手段、１１１は速度推定手段、２００はインバータ、Ｍは誘導電動機を示している。
【０００５】
この従来技術において、電流・磁束推定手段１０９では、インバータ２００が出力する電圧、電流から、誘導電動機Ｍの状態方程式によるモデルを用いて誘導電動機Ｍの磁束及び電流を推定している。
ここで、誘導電動機の状態方程式は数式１のように表すことができる。なお、数式１において、行列の肩にあるＴは、転置行列を表している。
【０００６】
【数１】
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【０００７】
電流・磁束推定手段１０９では、以下の数式２により磁束及び電流を推定する。ここでは、推定値に記号「＾」を付してある。また、行列Ａ＾は、行列Ａにおける角速度ωｒを推定角速度ωｒ＾に置き換えたものである。
【０００８】
【数２】
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【０００９】
速度推定手段１１１では、電流及び磁束の推定値、トルク電流指令、磁束指令、２相量の電流検出値ｉｓ等から、以下の数式３を用いて電動機Ｍの速度を推定する。
【００１０】
【数３】
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【００１１】
数式３は、磁束指令と推定磁束との振幅偏差、及び、トルク電流指令により演算される項を有する点が特徴であり、推定磁束の振幅が磁束指令に対して発散しないように帰還制御を行えば、周波数０においても推定速度は安定に０に収束することに着目したものである。
数式３の適用により、周波数が０であっても、トルク電流の符号に応じて磁束指令と推定磁束との振幅偏差をなくす方向に推定速度を修正することで、電動機Ｍの磁束ベクトルは所望の状態に収束し、推定速度も実際の角速度に一致させることができる。
【００１２】
図７においては、以上のようにして得られた推定速度及び推定磁束から、トルク電流指令及び磁化電流指令を演算する。電流調節手段１０２，１０３では、トルク電流指令とトルク電流検出値、磁化電流指令と磁化電流検出値とがそれぞれ一致するような２軸の電圧指令を演算する。２軸の電圧指令は、座標変換手段１０４により３相の電圧指令に変換され、１次電圧指令としてインバータ２００に与えられる。
【００１３】
一方、出力周波数が０Ｈｚ近傍となる運転条件の１つとして、電動機が低速で回転し、かつ回生状態になっている場合が挙げられる。
特許文献２では、このような場合に出力周波数が０Ｈｚとなるような動作点を回避することにより、速度センサレスベクトル制御により安定して運転を行うための手法が開示されている。
【００１４】
図８は、特許文献２に記載されている従来技術のブロック図であり、２０１は電圧形ＰＷＭインバータ、３００はベクトル制御装置、３０１は指令発生器、３０２，３１３は加算器、３０３は速度制御器、３０４は磁束指令発生器、３０５は磁束制御器、３０６，３０７はトルク電流調節器及び磁化電流調節器、３０８は電圧指令演算器、３０９は電圧検出器、３１０は電流検出器、３１１は速度推定器、３１２は滑り周波数指令演算器、３１４は積分器、３１５は速度指令制御回路、３１６は３相電流を２軸量に変換するｄ−ｑ変換器である。
この従来技術は、一般的な速度センサレスベクトル制御装置に速度指令制御回路３１５が付加されている点が特徴となっている。
【００１５】
図９は、上記速度指令制御回路３１５の構成図であり、３２１は速度指令上昇判別器、３２２はスイッチ、３２３は積分器、３２４はリミッタ、３２５は係数器、３２６は乗算器を示す。
この速度指令制御回路３１５では、速度指令上昇判別器３２１が、速度指令値ωｒ＊とトルク電流指令値Ｉｑ＊との積から回生状態であるか否かを判別し、この判別結果と１次周波数指令ω１＊の大きさとに基づいてスイッチ３２２を切り替える。具体的には、回生状態であって１次周波数指令ω１＊が所定値以下の場合には、１次周波数が０Ｈｚに近付いていると判断し、スイッチ３２２を端子ｂに切り替える。
その結果、積分器３２３が正の速度指令補正値を演算するようになり、速度指令制御回路３１５は、速度指令補正値を用いて、図８の指令発生器３０１からの速度指令値ωｒ＊よりも所定値だけ絶対値が大きい値に補正する速度指令変更手段として動作する。
【００１６】
上記の動作による効果を、数式を交えて説明する。電動機の１次周波数ω１、回転速度ωｒ、すべり周波数ωｓの間には、数式４の関係が成り立つ。
【００１７】
【数４】
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【００１８】
回生状態において、ωｓは負であり、このωｓは制動トルクに比例して変化する。よって、回転速度が低い場合、制動トルクの増加に伴い１次周波数が減少していき、最終的には０Ｈｚに到達する。
特許文献２に記載されている従来技術では、制動トルクの増加に伴って１次周波数ω１が減少していき、１次周波数ω１が所定値以下になると、前述した速度指令制御回路３１５により速度指令値に対する補正値の加算を開始して、回転速度を増加させる。これは、制動トルクの増加によってすべり周波数が減少した分だけ、速度指令値を増加させていることと等価である。
よって、回転速度とすべり周波数との和は常に一定となり、数式４の関係を考えると１次周波数指令値は所定の一定値に制御されることになる。その結果、不安定である０Ｈｚ近傍における運転を回避することができる。
【００１９】
【特許文献１】特開２０００−２２４８９８号公報（段落［００１０］〜［００１３］、図１）
【特許文献２】特開２００４−４０８４２号公報（段落［００２３］〜［００４０］、図１，図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
特許文献１においては、推定速度を修正することにより、インバータの出力周波数が０となる場合でも、推定速度を実際の角速度に一致させることができる。
しかし、インバータの出力周波数が０近傍となる動作点では、低速での動作となるため出力電圧の値が小さく、出力電圧の検出誤差や、磁束推定値演算に用いる状態方程式と実際の電動機モデルとの間の誤差などの影響が顕著になる。これらの誤差の発生量によっては、大きな速度推定誤差が生じて制御が不安定となり、正常な運転が不能になると共に、最悪の場合には、回転速度指令に基づく回転方向とは逆方向に電動機を急加速させてしまうおそれもある。特許文献１では、これらの誤差の影響について何ら言及されていない。
【００２１】
また、特許文献２では、制動トルクの増加により１次周波数が減少していき、１次周波数が所定値以下になると、それ以後、更に制動トルクが増加した場合は、速度指令値を増加させることにより１次周波数を一定に制御している。これは、制動トルクの増加によりすべり周波数が減少した分だけ、速度指令値を増加させて１次周波数を一定に制御していることと等価である。速度指令値の操作量は積分器により演算しているため、速度指令値の増加の速度はその積分時定数によって決まる。一方で、すべり周波数は負荷の状態により変動するものである。
ここで、制動トルクが積分器の積分時定数よりも十分に早い時定数で、急激に増加するように負荷が変動した場合を考えると、すべり周波数は急激に減少するが、速度指令値の操作量はすべり周波数の変化に追従できなくなる。その結果、すべり周波数の減少量が回転速度の増加量よりも大きくなる。
数式４の関係を考えると、このことは、１次周波数を一定値に制御できずに１次周波数が過渡的に所定値以下となることを示しており、最悪の場合、１次周波数が０Ｈｚ近傍に到達して制御が不安定になるおそれもある。
【００２２】
そこで、本発明の解決課題は、上記の問題点を解決し、いかなる場合においても回転速度指令とは逆方向に電動機を回転させることなく、安定に速度センサレスベクトル制御を実現可能とした誘導電動機の制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、誘導電動機の電流及び電圧を用いて前記電動機の磁束、電流及び速度を推定演算し、その速度推定値を用いて、ベクトル制御により電力変換器を介して前記電動機を可変速制御する誘導電動機の制御装置において、
前記電動機の速度指令値に速度指令補正量を加算する手段と、
前記速度指令補正量の有効、無効を選択する手段と、
前記速度指令補正量が有効と選択された時に前記電動機の１次周波数指令の絶対値に下限値を設ける手段と、を備えたものである。
【００２４】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記速度指令補正量が、前記１次周波数指令の絶対値の下限値から前記速度指令値の絶対値を減じ、かつ、すべり周波数指令値の絶対値を加算した値であることを特徴とする。
【００２５】
請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した誘導電動機の制御装置において、
前記速度指令値とすべり周波数とを加算した信号を一定の基準値と比較する手段を備え、この手段による比較結果に従って前記速度指令補正量の有効、無効を選択するものである。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、誘導電動機の速度センサレスベクトル制御において、電動機の極低速域においても回転指令の方向と逆方向に回転することもなく、安定した動作が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の実施形態を示すブロック図である。ここでは誘導電動機の正転時における実施形態を説明するが、本発明は逆転時においても全く同様の原理により適用可能である。
【００２８】
図１において、図７における各構成要素と同様の機能を有するものには同一の符号を付してある。また、図１において、１１４は１次周波数下限リミット実行判別手段、１１５は上記判別手段１１４からのリミット実行フラグが入力される速度指令補正量演算手段、１１６は上記演算手段１１５からの速度指令補正量が速度指令値及び速度推定値と共に入力されるトルク電流指令演算手段である。
【００２９】
本実施形態において、１次周波数下限リミット実行判別手段１１４は、インバータ２００に与える１次電圧指令を演算するために用いる情報から、１次周波数及び速度指令への操作を行うか否かを判別し、その判別結果に応じてリミット実行フラグを有効にして１次周波数演算手段１１３及び速度指令補正量演算手段１１５に出力する。
本実施形態は、特定の条件を満たす場合に上記リミット実行フラグを有効にして１次周波数及び速度指令を操作することにより、極低速域においても速度センサレスベクトル制御により安定に電動機Ｍを駆動できるようにしたものである。制御装置の基本的な構成については図７，図８に示した従来技術や一般的なベクトル制御と同一であるため、以下では相違点を中心に説明する。
【００３０】
図２は、図１における１次周波数演算手段１１３の構成を示している。
１次周波数演算手段１１３では、まず速度推定値とすべり周波数を加算する。上記の部分は従来技術と同一であるが、本発明では速度推定値とすべり周波数とを加算手段１１３ａにより加算し、その加算信号の下限値をリミット実行フラグの有効時に下限リミット手段１１３ｂにより制限して１次周波数指令として出力する。
【００３１】
また、下限リミット手段１１３ｂでは、図１における１次周波数下限リミット実行判別手段１１４から出力されたリミット実行フラグが有効となっている場合にのみ、上記の加算信号を下限値にて制限する下限リミット処理を行う。その結果、１次周波数指令の値は、最低でも下限リミット手段１１３ｂの下限値に維持されるため、１次周波数が０Ｈｚ近傍となる運転を避けることができる。
なお、リミット実行フラグが無効となっている場合は、加算手段１１３ａから出力される加算信号をそのまま１次周波数指令として出力することになり、図８の従来技術における加算器３１３等と全く同一の動作をする。
【００３２】
図３は、図１における速度指令補正量演算手段１１５の構成を示している。
速度指令補正量演算手段１１５では、後述する数式６に基づき、１次周波数下限値、速度指令値、すべり周波数を減算手段１１５ａ，１１５ｂにより加減算し、その結果を補正量選択手段１１５ｃに与える。補正量選択手段１１５ｃでは、前記リミット実行フラグに応じて補正量を選択する。すなわち、リミット実行フラグが無効の場合は速度指令補正量を０とし、リミット実行フラグが有効の場合にのみ、数式６による演算結果を速度指令補正量として出力する。つまり、リミット実行フラグに応じて数式６による速度指令補正量の演算結果を有効または無効とする。
【００３３】
図４は、図１におけるトルク電流指令演算手段１１６の構成を示している。
トルク電流指令演算手段１１６では、まず、インバータ２００に設定されている速度指令値に対して、速度指令補正量演算手段１１５により演算された速度指令補正量を加算手段１１６ａにて加算する。そして、加算手段１１６ａの出力信号を真の速度指令値として、速度推定値との差分を減算手段１１６ｂにより演算し、ＰＩ制御手段１１６ｃにより比例積分演算した結果をトルク電流指令値として出力する。
なお、リミット実行フラグが無効となっている場合は、速度指令補正量は０となるため、図８における速度制御器３０３と全く同一の動作をする。なお、以後、単に速度指令値という場合は速度補正量を加えていない速度指令値を表すものとする。
【００３４】
ここで、図５を用いて本発明の原理及び効果を説明する。図５は、誘導電動機Ｍを一定速度で運転している状態で、制動トルクを徐々に増加させたときの本実施形態の動作を示している。
まず、速度センサレスベクトル制御では、インバータへの１次周波数指令ω１は数式５により演算される。
【００３５】
【数５】
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【００３６】
数式５において、ωｒ＾は速度推定値、ωｓはすべり周波数である。すべり周波数ωｓは出力トルクに比例するため、制動トルクの増加に伴い１次周波数は減少していく。特に速度指令値が低い場合は、制動トルクの値によっては１次周波数が０Ｈｚに到達し、制御が不安定になって電動機の運転が不能となる。
【００３７】
そこで本実施形態では、制動トルクの増加に伴って１次周波数が減少し、予め設定された１次周波数指令の下限値（以下、単に１次周波数下限値または下限値ともいう）ωｔｈに近付いたと判別したら、図５に示すようにリミット実行フラグを有効に切り替える。リミット実行フラグが有効になると、前述の如く演算された１次周波数に対して下限リミット処理を行うため、以後は、制動トルクが増加しても１次周波数指令は下限値ωｔｈのまま一定に制御される。本実施形態では１次周波数指令に下限値を設けるため、特許文献２のように１次周波数が過渡的に下限値以下になることはなく、１次周波数が０Ｈｚ近傍となるような運転を完全に回避することができる。
【００３８】
一方、ベクトル制御では常に数式５を満たすべきであるが、下限リミット処理は１次周波数を強制的に変化させているため、単純に下限リミット処理を行うだけでは数式５の関係が成り立たなくなる。特に、特許文献１に記載された従来技術のように、電動機の電圧電流方程式をベースとした演算により磁束などを推定する制御方式の場合、１次周波数に下限値を設けることは電圧電流方程式では考慮されていないため、単に下限リミット処理を行っただけでは正しい推定が不能となり、予期せぬ動作をするおそれもある。
【００３９】
そこで、本実施形態では、図５に示す如く、下限リミット処理を行ったことによる１次周波数指令の変化分を速度指令補正量ωｃｍｐとして速度指令値へ加算する。速度指令補正量ωｃｍｐは例えば数式６により演算されるが、他の制御変数を用いても演算は可能であり、数式６に限定されるものではない。
【００４０】
【数６】
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【００４１】
なお、数式６において、ωｒ＊は補正量加算前の速度指令値である。
この結果、速度推定値は補正量ωｃｍｐを加算した速度指令値に追従するため、１次周波数に下限リミット処理を行い、１次周波数が下限値に固定された場合においても、数式５の関係は常に成立する。よって、リミッタ動作時にも安定して磁束推定が行える。
なお、数式６は正転時（速度指令値＞０）にのみ対応した速度指令補正量ωｃｍｐの演算式であり、逆転時（速度指令値＜０）にも対応するためには、数式７によって演算すればよい。
【００４２】
【数７】
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【００４３】
数式７により演算した速度指令補正量ωｃｍｐを、速度指令値の絶対値へ加算した値を真の速度指令絶対値としてベクトル制御を行うことにより、正転・逆転状態を問わずに本発明の効果を得ることができる。
ただし、本実施形態では速度指令値に対して補正量を加算するため、電動機の実際の回転速度も補正量を加算した速度指令に追従し、本来の速度指令とは異なる回転速度で回転することになる。しかし、センサレス制御において原理的に不安定になる１次周波数が０Ｈｚ近傍での運転を回避できるので、制御が不安定となり、電動機を指令と逆方向に回転させてしまうことはない。また、１次周波数が低くなるほど出力電圧が小さくなり、電動機定数の誤差や検出系の誤差の影響が大きくなるが、本実施形態では１次周波数が下限値ωｔｈ以下にならないように維持するため、これらの誤差の影響を小さくすることができる。以上のように、本実施形態によれば、極低速域においても安定して電動機を制御することが可能となる。
【００４４】
なお、速度センサレス制御では、磁束及び速度の推定方式として様々な方式がある。しかし、本実施形態では１次周波数指令及び速度指令に補正を行うだけであるため、いかなる磁束及び速度の推定方式を用いた速度センサレス制御に対しても適用可能である。また、本実施形態はインバータ２００への電圧指令を演算しているＣＰＵなどのプログラムを修正するだけで実現可能であり、その実現は非常に容易である。
【００４５】
次に、図６は、１次周波数指令に対して下限リミッタを動作させるか否かを判別する１次周波数下限リミット実行判別手段１１４の具体的な構成を示している。ここでは電動機の正転時における実施形態を示しているが、逆転時においても全く同様の原理により適用可能である。
【００４６】
この１次周波数下限リミット実行判別手段１１４では、まず、速度指令値とすべり周波数とを加算手段１１４ａにより加算することにより基準信号を演算する。比較手段１１４ｂでは、上記基準信号と１次周波数下限値ωｔｈとを比較し、基準信号が下限値ωｔｈ  を下回った場合のみリミット実行フラグを有効とする。
ベクトル制御においては、速度指令値と速度推定値とを一致させるように制御を行うため、速度指令値と速度推定値は一致しているとみなせる。よって、上記の基準信号は１次周波数のリミッタが全く動作しない場合の１次周波数指令（従来技術における１次周波数指令に相当）しているものである。この基準信号を用いれば、実際の１次周波数が下限値に近づいているか否かを判別することができるため、リミット実行フラグの作成に適していると言える。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１実施形態を示すブロック図である。
【図２】図１における１次周波数演算手段の構成図である。
【図３】図１における速度指令補正量演算手段の構成図である。
【図４】図１におけるトルク電流指令演算手段の構成図である。
【図５】本発明の原理及び効果を説明するための図である。
【図６】図１における１次周波数下限リミット実行判別手段の構成図である。
【図７】特許文献１に記載された従来技術のブロック図である。
【図８】特許文献２に記載された従来技術のブロック図である。
【図９】図８における速度指令制御回路の構成図である。
【符号の説明】
【００４８】
１０１：磁化電流指令演算手段
１０２：トルク電流調節手段
１０３：磁化電流調節手段
１０４，１１０：座標変換手段
１０５：電圧検出手段
１０６：電流検出手段
１０７，１０８：３相−２相変換手段
１０９：電流・磁束推定手段
１１１：速度推定手段
１１２：すべり周波数演算手段
１１３：１次周波数演算手段
１１３ａ：加算手段
１１３ｂ：下限リミット手段
１１４：１次周波数下限リミット実行判別手段
１１４ａ：加算手段
１１４ｂ：比較手段
１１５：速度指令補正量演算手段
１１５ａ，１１５ｂ：減算手段
１１５ｃ：補正量選択手段
１１６：トルク電流指令演算手段
１１６ａ：加算手段
１１６ｂ：減算手段
１１６ｃ：ＰＩ制御手段
２００：インバータ
Ｍ：誘導電動機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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